胡克用，朱佳偉，謝 奧，曹世華，安 群

（1.杭州師范大學(xué) 錢江學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.杭州師范大學(xué) 工學(xué)院，浙江 杭州 310018）

0 引 言

隨著網(wǎng)絡(luò)攝像技術(shù)、機(jī)器視覺技術(shù)的高速發(fā)展和處理器性能的提升，測(cè)量系統(tǒng)的智能化程度越來越高[1]。越來越多的智能測(cè)量系統(tǒng)逐漸涌現(xiàn)，它們多采用機(jī)器視覺技術(shù)通過攝像機(jī)將靜態(tài)的觀察目標(biāo)轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像信號(hào)，再由圖像處理系統(tǒng)處理圖像數(shù)據(jù)并提取其中的信息[2]。這種方式局限性較大，對(duì)于運(yùn)動(dòng)中觀察目標(biāo)的測(cè)量結(jié)果偏差較大甚至無(wú)法測(cè)量。針對(duì)此類問題，提出一種基于網(wǎng)絡(luò)攝像與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能測(cè)量系統(tǒng)。針對(duì)單擺運(yùn)動(dòng)中的被測(cè)物，使用機(jī)器視覺的處理方法通過網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)拍攝其單擺運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，借助樹莓派、以太網(wǎng)交換機(jī)、實(shí)時(shí)流協(xié)議（Real Time Streaming Protocol，RTSP）來獲取網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)視頻流。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于網(wǎng)絡(luò)攝像與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)使用2個(gè)正交拍攝被測(cè)物的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)模塊、1個(gè)以太網(wǎng)交換機(jī)模塊、3個(gè)樹莓派模塊（節(jié)點(diǎn)樹莓派A、節(jié)點(diǎn)樹莓派B、終端樹莓派C）、2個(gè)液晶顯示器（Lipuid Crystal Display，LCD）（分別連接節(jié)點(diǎn)樹莓派A和節(jié)點(diǎn)樹莓派B）以及1個(gè)終端顯示器（使用數(shù)據(jù)線與終端樹莓派C連接）。采用外部供電方法，供電給網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，樹莓派、以太網(wǎng)交換機(jī)以及終端顯示器。2臺(tái)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)將拍攝到的視頻傳輸至以太網(wǎng)交換機(jī)，樹莓派通過以太網(wǎng)交換機(jī)來獲取網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)視頻流。節(jié)點(diǎn)樹莓派驅(qū)動(dòng)LCD顯示屏，可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前樹莓派拍攝的視頻，終端樹莓派C運(yùn)行OpenCV程序，對(duì)擺動(dòng)的物體進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤，記錄運(yùn)動(dòng)軌跡，用方框?qū)崟r(shí)框住被測(cè)物體輪廓，并在顯示器中呈現(xiàn)出所測(cè)量的長(zhǎng)度與角度等參量。

2 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)

2.1 處理器

本設(shè)計(jì)使用的核心處理器為樹莓派，采用Linux作為操作系統(tǒng)。樹莓派可以通過USB端口連接顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)，通過RJ45以太網(wǎng)端口連接交換機(jī)，這樣就具備了普通電腦的基本功能，能執(zhí)行傳輸數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、播放網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)拍攝的高清視頻等功能。

2.2 網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)

由于網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)（IP Camera，IPC）具有比普通攝像機(jī)畫質(zhì)清晰、壓縮比高、可直接連交換機(jī)且性能穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，因此本設(shè)計(jì)中使用?？低暤木W(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。

2.3 以太網(wǎng)交換機(jī)

以太網(wǎng)交換機(jī)是用來構(gòu)建局域網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的重要硬件設(shè)備，本設(shè)計(jì)使用5口百兆以太網(wǎng)交換機(jī)，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)利用網(wǎng)線連接至以太網(wǎng)交換機(jī)的RJ45端口。樹莓派也是利用網(wǎng)線連接至以太網(wǎng)交換機(jī)的RJ45端口，這樣以太網(wǎng)交換機(jī)上電啟動(dòng)后，局域網(wǎng)也就構(gòu)建完成。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 節(jié)點(diǎn)樹莓派程序設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)樹莓派A、B分別對(duì)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)A、B拍攝得到的視頻流進(jìn)行HSV轉(zhuǎn)化，即從RGB空間轉(zhuǎn)化至HSV空間[3]。HSV空間中：H代表色相角，范圍是0°～360°；S代表飽和度，范圍是0～1；V代表亮度，范圍是0～1。RGB空間中：R代表紅坐標(biāo)值，范圍為0～255的實(shí)數(shù)；G代表綠坐標(biāo)值，范圍為0～255的實(shí)數(shù)；B代表藍(lán)坐標(biāo)值，范圍為0～255的實(shí)數(shù)。(R,G,B)構(gòu)成RGB坐標(biāo)，在RGB空間中表示所有顏色。RGB空間轉(zhuǎn)化至HSV空間時(shí)，轉(zhuǎn)化公式為

色相角H計(jì)算公式為

飽和度S計(jì)算公式為

亮度V計(jì)算公式為

式中：(R',G',B')分別是(R,G,B)二值化后的數(shù)值；Cmax表示(R',G',B')中的最大值；Cmin表示(R',G',B')中的最小值；Δ表示Cmax與Cmin之間的差值。

通過HSV轉(zhuǎn)化后進(jìn)行HSV二值化，然后需要進(jìn)行圖像濾波。濾波方法采用卡爾曼濾波，使用遞歸的思想來解決線性的濾波問題，只要獲得系統(tǒng)當(dāng)前的測(cè)量值與前一個(gè)采樣周期的估計(jì)值，就可以開展?fàn)顟B(tài)估計(jì)工作[4]。濾波結(jié)束后，測(cè)量系統(tǒng)開始尋找被測(cè)物，分別對(duì)2個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)所拍攝的視頻流采用色域檢測(cè)法來尋找被測(cè)物的位置。程序中設(shè)定被測(cè)物的色域范圍，將被測(cè)物用矩形框框選出來，確定被測(cè)物的中心坐標(biāo)，逐幀處理并記錄坐標(biāo)的移動(dòng)軌跡，進(jìn)而繪制擺幅的范圍[5]。

3.2 終端樹莓派程序設(shè)計(jì)

在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)拍攝的視頻中，逐幀對(duì)比前后中心坐標(biāo)的高度，直到發(fā)現(xiàn)被測(cè)物擺動(dòng)到右側(cè)的最高位置，記錄坐標(biāo)及當(dāng)前時(shí)間t1，使用同樣的方法尋找被測(cè)物擺動(dòng)到左側(cè)的最高位置，記錄坐標(biāo)位置及當(dāng)前時(shí)間t2。同理，對(duì)另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)拍攝的視頻進(jìn)行相同操作，記錄右側(cè)最高點(diǎn)坐標(biāo)及時(shí)間t3，記錄左側(cè)最高點(diǎn)坐標(biāo)及時(shí)間t4，結(jié)束后開始向終端樹莓派傳輸預(yù)處理后的數(shù)據(jù)信息。終端樹莓派C需要完成接收節(jié)點(diǎn)樹莓派發(fā)送的信息，并計(jì)算位于單擺運(yùn)動(dòng)中的繩長(zhǎng)L與擺動(dòng)角度θ等。

根據(jù)上一流程獲得物體在單擺運(yùn)動(dòng)中的擺動(dòng)周期T=2(t2-t1)或T=2(t4-t3)，根據(jù)單擺周期公式求出細(xì)繩長(zhǎng)度。

根據(jù)節(jié)點(diǎn)樹莓派發(fā)送的數(shù)據(jù)，整理出網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)在A方向拍攝的左側(cè)最高點(diǎn)坐標(biāo)(Ax,Ay)，通過θ=[arctan(Ax/Bx)×180]/π得到A方向上的角度。

4 硬件環(huán)境搭建

本設(shè)計(jì)的硬件實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖2所示。以太網(wǎng)交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)與樹莓派之間組成一個(gè)局域網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)上的信息可通過以太網(wǎng)交換機(jī)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)中，樹莓派可通過RTSP等協(xié)議接收網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)所拍攝到的視頻，便捷地在各類可以聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備上獲取信息并進(jìn)行分析。

5 系統(tǒng)測(cè)試

5.1 終端顯示

系統(tǒng)終端實(shí)際運(yùn)行結(jié)果如圖3所示，可以實(shí)時(shí)顯示被測(cè)物運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并用方框框選出被測(cè)物。

圖3中的數(shù)字“1 036.0，574.5”表示當(dāng)前方框的中心坐標(biāo)位置，數(shù)字“45”表示擺動(dòng)角度，數(shù)字“85”表示懸掛被測(cè)物的細(xì)繩長(zhǎng)度。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)要求。

5.2 長(zhǎng)度測(cè)量

通過對(duì)繩長(zhǎng)的測(cè)量，本系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確度較高。當(dāng)角度分別控制在30°和90°時(shí)，長(zhǎng)度測(cè)試誤差均在0.5～2.9 cm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1、表2所示。

表1 被測(cè)物擺動(dòng)角度為30°時(shí)的細(xì)繩長(zhǎng)度測(cè)量結(jié)果 單位：cm

表2 被測(cè)物擺動(dòng)角度為90°時(shí)的細(xì)繩長(zhǎng)度測(cè)量結(jié)果 單位：cm

5.3 角度測(cè)量

當(dāng)細(xì)繩長(zhǎng)度控制在90 cm時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示，被測(cè)物擺動(dòng)角度測(cè)試誤差在0.6°～3.2°。

表3 被測(cè)物擺動(dòng)角度測(cè)量結(jié)果 單位：（°）

通過對(duì)擺動(dòng)角度的測(cè)量，本系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確度較高。

6 結(jié) 論

基于網(wǎng)絡(luò)攝像與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能測(cè)量系統(tǒng)利用機(jī)器視覺的方法對(duì)處于單擺運(yùn)動(dòng)中的被測(cè)物實(shí)時(shí)追蹤，顯示并計(jì)算繩長(zhǎng)與擺動(dòng)角度，處理器采用樹莓派，性能穩(wěn)定且成本低。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分析，這種對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)檢測(cè)的系統(tǒng)能夠滿足未來智能測(cè)量的需求，具有廣闊的發(fā)展前景。